跨越范式鴻溝，直面家庭監護醫療設備的設計挑戰

半導體供應商會(huì )經(jīng)常關(guān)注市場(chǎng)錯位的機會(huì )，以便趁機實(shí)施產(chǎn)品創(chuàng )新，提高銷(xiāo)售額，實(shí)現收入增長(cháng)。市場(chǎng)錯位從發(fā)現到開(kāi)花結果往往需要很長(cháng)的預判和爭論時(shí)間，這剛好與一句古老的格言相呼應——發(fā)明等于10%的創(chuàng )新加上90%的汗水。如今，醫療保健行業(yè)正處于市場(chǎng)錯位的拐點(diǎn)，提供醫療保健的方式有望發(fā)生根本改變。

降低醫療成本的壓力促使人們需要能夠在家提供醫療保健的設備。此類(lèi)設備可24小時(shí)不間斷地實(shí)時(shí)監控：
生命體征（門(mén)診病人ECG監護、體溫、血壓等）；
身體狀況（跌倒預防和檢測、體重、卡路里控制）；以及
認知行為（幫助診斷疾病的發(fā)作時(shí)間）

這只是眾多家用醫療保健設備中的幾個(gè)例子，由此我們可以大致了解院外病人監護如何有助于降低醫療保健成本以及改善個(gè)人健康狀況?？s短病人留院觀(guān)察的時(shí)間，轉而對其進(jìn)行有效的遠程觀(guān)察，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì )降低成本。在預防性醫療保健領(lǐng)域，采用這些設備同樣能帶來(lái)重大利益。

受這些利益因素的驅使，許多廠(chǎng)商開(kāi)始關(guān)注這一新興市場(chǎng)領(lǐng)域，并針對此類(lèi)需求開(kāi)發(fā)設備，其中既包括醫療保健市場(chǎng)的傳統制造商，也包括不熟悉這一市場(chǎng)的制造商。然而，像大多數市場(chǎng)錯位一樣，要使一個(gè)普遍存在的院外病人保健計劃得以完全實(shí)現，必須克服一些挑戰。Geoffrey Moore的暢銷(xiāo)書(shū)《跨越鴻溝》準確地描述了醫療保健行業(yè)很快將看到的情況。

Moore認為，創(chuàng )新成果的推廣是由早期使用創(chuàng )新技術(shù)的用戶(hù)促成的。因此，在推出院外醫療保健設備的早期階段，用戶(hù)對此類(lèi)設備必須有非常高的接受度，這一點(diǎn)至關(guān)重要。目前，家庭監護和診斷設備在監控生命體征（如血壓和體溫等）及測試血糖水平方面很成功，但尚未在醫療保健領(lǐng)域掀起一場(chǎng)能夠使我們“跨越鴻溝”的范式轉變。

圖1 – 如今的家庭醫療保健設備包括監控生命體征的設備以及計算一天的步行距離和消耗卡路里數的產(chǎn)品

如何“跨越鴻溝”？

盡管有許多其它因素會(huì )影響醫療保健市場(chǎng)的未來(lái)，如政府計劃、保險、經(jīng)濟形勢、法律法規等，但對于瞄準這一市場(chǎng)的公司而言，產(chǎn)品挑戰是相當嚴峻的，包括要努力開(kāi)發(fā)出符合下列要求的產(chǎn)品：
能夠提供適當水平的病人監護，能達到所需的效果（如上所述），并且確實(shí)對病人和醫療保健體系有用；
功耗足夠低，能夠長(cháng)時(shí)間工作而無(wú)需充電；
價(jià)格足夠低，適于大規模采用；
能夠與遠程服務(wù)器通信；
符合人體工程學(xué)設計，能夠成為我們日常生活的一部分；以及
無(wú)差錯設計，即使未經(jīng)訓練的用戶(hù)也不會(huì )犯錯。

這絕非易事，特別是鑒于這些產(chǎn)品背后的業(yè)務(wù)模型尚未成型。此外，推動(dòng)這一范式轉變的廠(chǎng)商不應一葉障目，沉迷于以上所列的一個(gè)或兩個(gè)要求，而必須全盤(pán)考慮。例如，如果只盯著(zhù)“低成本”而忽視“有效監護”，產(chǎn)品可能永遠走不出小工具之列。當然，低廉的產(chǎn)品價(jià)格無(wú)疑非常重要，但它不得動(dòng)搖之所以需要院外監護設備的根本理由。能夠滿(mǎn)足在臨床環(huán)境之外進(jìn)行病人監護的關(guān)鍵需求且令人信服的解決方案，是推動(dòng)醫療保健行業(yè)發(fā)展的重要因素之一。要實(shí)現這一最終目標，使醫療保健行業(yè)跨越鴻溝，就必須承認技術(shù)對贏(yíng)得早期用戶(hù)和早期大眾的支持起著(zhù)關(guān)鍵作用。

為使院外監護成為日常生活的一部分，必須實(shí)現有效的投資回報(ROI)；也就是說(shuō)，必須從受監護中獲得切實(shí)的利益。在臨床環(huán)境中，ROI相當明顯。在醫院接受監護被認為是理所當然的事情，這讓病人可以安心地呆在醫院里。人們通常覺(jué)得醫院監護設備質(zhì)量好、功能全、成本高。既然如此，人們?yōu)槭裁床粦诖和獗O護設備也能達到相同的期望呢？同樣，先進(jìn)的技術(shù)對于這一目標至關(guān)重要。

當然，如今已經(jīng)存在有效的院外監護儀。例如，動(dòng)態(tài)心電監護儀常常用來(lái)記錄病人較短時(shí)間的心電圖(ECG)，以供心臟科醫師進(jìn)行離線(xiàn)分析。未來(lái)的院外醫療保健設備可能需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監護（并有能力執行一些本地診斷）。

院內生命體征監護儀一般支持下述一種或多種體征的監控：ECG、SPO2（血氧）、血壓、呼吸和體溫。以上所列并不全面，但它涵蓋了受監控的最常見(jiàn)生命體征。對于院內儀器，儀器本身的每個(gè)監護儀可能都是一個(gè)不同的模塊，各模塊向外連接到病人身體上的一個(gè)分立傳感器或一組傳感器。ECG會(huì )連接到多個(gè)軀干電極，SPO2監護儀會(huì )連接到一個(gè)手指夾，呼吸監護儀可能使用胸部電極，體溫和血壓則將利用溫度計和腕夾(cuff)分別定期測量。

為將這種水平的病人監護移植到院外環(huán)境下的設備，生物醫學(xué)工程師需要解決某些問(wèn)題，包括但不限于：
適應不同的環(huán)境條件：例如，對于長(cháng)期監護，“濕”ECG電極是不切實(shí)際的，應采用干電極。干電極會(huì )帶來(lái)與信號完整度有關(guān)的其它問(wèn)題。
精確測量：例如，共模噪聲會(huì )嚴重影響測量精度。
多傳感器連接：監控ECG、SPO2和體溫需要多個(gè)傳感器，某些情況下還需要創(chuàng )新技術(shù)來(lái)實(shí)現可靠的測量。
多參數系統設計：合并監控多個(gè)生命體征。
實(shí)時(shí)處理測量到的生命體征：見(jiàn)機行事以實(shí)現實(shí)時(shí)診斷。
電源管理：保持低功耗。
遠程監控/通信：各種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。
病人活動(dòng)能力：對于快速康復至關(guān)重要。
易于使用：醫院管理甚少。
社會(huì )接受的工業(yè)設計：設備應獲得社會(huì )的接受。
可靠性：遠程監控要求設備能夠正常連接和工作。
低成本：必不可少的要求。有些設備只需要考慮上述的少數幾個(gè)要求，而有些設備則要受所有要求的影響。

解決之道

工程師該如何應對這些挑戰呢？具體做法說(shuō)明如下：
適應環(huán)境以及實(shí)時(shí)處理測量到的生命體征
開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的信號后處理技術(shù)，例如，利用算法來(lái)幫助消除病人運動(dòng)造成的噪聲偽像或電極連接不良引起的信號完整性喪失問(wèn)題。為了實(shí)現本地/遠程實(shí)時(shí)診斷，應當在本地解決基線(xiàn)漂移等噪聲偽像。
精確的測量、多參數系統設計、病人活動(dòng)能力、可靠性和電源管理
模擬和數字信號處理元件的集成打開(kāi)了創(chuàng )新設計的大門(mén)，有助于減少系統面積、噪聲、功耗和成本。此外，由于系統元件數量減少，可靠性得以提高，庫存管理等無(wú)形成本同時(shí)降低。
多傳感器連接
這是一個(gè)十分棘手的挑戰，因為許多必須監控的生命體征在人體上的分布相距較遠，例如：ECG監控在胸部，SPO2監控在前額或手指，體溫監控在耳部或腋下。通過(guò)身體區域網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信的無(wú)線(xiàn)傳感器將有助于消除替代有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。集成電極和傳感器的創(chuàng )新服裝也在努力解決這一難題。
遠程監控/通信
無(wú)線(xiàn)技術(shù)的最新創(chuàng )新成果可確保遠程通信有效進(jìn)行。Bluetooth Low Energy、WiFi和Zigbee是其中已經(jīng)付諸實(shí)施的幾項協(xié)議。

最初的步伐包括系統集成和微型化。這些年來(lái)，各種形式的消費電子產(chǎn)品（如手機等）都經(jīng)歷了這一過(guò)程，現在終于輪到了醫療保健設備。

為了解決功耗、移動(dòng)性和工業(yè)設計相關(guān)的問(wèn)題，需要從頭開(kāi)始重新設計醫療儀器的電子電路。如前所述，有許多方面需要考慮，但關(guān)注的重點(diǎn)是在保證受監控生命體征的測量完整度的同時(shí)，降低系統功耗、尺寸和成本。

ADI公司的ECG模擬前端(AFE)子系統ADAS1000是一個(gè)很好的例子，它解決了一部分挑戰。以前需要利用50個(gè)有源器件和大量分立器件才能實(shí)現的功能，現在只需要ADAS1000一個(gè)芯片就能實(shí)現。ADAS1000 AFE子系統集成了下列電路和功能：5個(gè)ECG采集通道；右腿驅動(dòng)；ECG電纜屏蔽驅動(dòng)；起搏器脈搏檢測（片內算法）；呼吸測量（胸阻抗）；基準電壓源和電源管理；系統校準；以及數字濾波器。

諸如ADAS1000 AFE子系統之類(lèi)的器件清楚地說(shuō)明，技術(shù)創(chuàng )新如何實(shí)現有效且得力的遠程病人監護，以及幫助醫療保健行業(yè)跨越日益加寬的鴻溝。最終目標是讓病人和醫生相信，創(chuàng )新技術(shù)能夠像院內技術(shù)一樣精準地幫助病人。下一代IC結合新的設備設計，將有助于業(yè)界實(shí)現上述目標。